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研究發現:水解聚丙烯酰胺HPAM降低油水界面張力能力極其有限(一)

來源: 《中國石油大學學報(自然科學版)》 瀏覽 669 次 發布時間:2024-09-03

摘要:采用分子動力學模擬方法,從原子分子層次考察部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)以及改性HPAM的界面活性。結果表明:HPAM降低油水界面張力能力極其有限,而引入疏水基團后的HPAM具有較好的降低界面張力效果;改性HPAM的疏水基團增強與油相的作用,并在界面處形成致密的聚合物膜,增加油水界面層厚度,隔離油水相接觸,從而降低油水接觸形成的界面張力;鹽離子的存在增加油水界面張力,改性HPAM引入的磺酸基團具有較好的抗鹽能力,可以降低界面處鹽離子的聚集,從而減弱鹽離子對界面張力的影響。


早期的聚合物驅主要采用部分水解聚丙烯酰胺(HPAM),具有界面活性低、耐溫/耐鹽性差等缺點。通過對HPAM進行改性,不僅能改善驅替液的流變性能,還能提高HPAM的界面活性,促進HPAM在油水界面的吸附,以降低油水界面張力,起到乳化原油的作用。目前主要通過試驗手段考察原油乳化行為,使用傅里葉紅外光譜、核磁共振等儀器可表征聚合物或表面活性劑的構象;利用電鏡可觀察乳狀液的形貌和尺寸;通過界面張力測量可評價聚合物、表面活性劑等的界面活性。分子動力學(MD)模擬是基于統計物理原理,將原子、分子的運動與體系宏觀性質建立關系的一種計算模擬方法。Du等對3種聚合物驅油劑進行MD模擬,比較不同溶液的黏度,揭示鹽離子誘導聚合物聚集的機制。Abdel-Azeim等利用MD模擬研究HPAM聚合物和磺化HPAM的締合行為,發現磺化基團與陽離子的相互作用較弱,鹽離子的存在會促進聚合物的締合。Kshitij等使用MD模擬計算熔融聚甲基丙烯酸甲酯的表面張力,其隨溫度變化的結果與試驗測試結果相符。界面處的張力主要來源于界面處原子受到垂直于界面的應力不均衡,從而引起界面處產生平行于界面的張力。筆者對親水性的HPAM進行改性,通過接枝疏水基團增強聚合物與油相的相互作用,減弱油水界面處分子受力的不均衡,通過降低油水界面張力從而獲得高的界面活性。進一步通過接枝具有耐鹽性的磺酸基團,以提升聚合物在高礦化度儲層中的性能。


1、模型及模擬方法


1.1、模型構建


為研究聚合物對油水界面張力的影響,模擬體系由油相、水相、聚合物分子3部分組成,模型見圖1(a)。其中油相由正十二烷分子來模擬,聚合物選擇HPAM以及改性后的聚丙烯酰胺進行對比研究。


模擬中采用聚合物的聚合度為100,在每個界面處放置10條聚合物鏈。丙烯酰胺單體經水解變為丙烯酸,模型中設置HPAM水解度為20%,水解單體在HPAM中均勻分布。HPAM改性中使用的2種單體見圖1(b)。聚合物的改性是在原有分子基礎上,兩側各替換5個疏水單體,并將分子上10%(質量分數)的丙烯酰胺單體替換為2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)單體,AMPS單體在聚合物鏈中均勻分布。


實際應用中,聚合物驅油劑相對分子質量非常大。由于模擬尺度的限制,MD模型中聚合物鏈相對分子質量較小。由于聚合物是由大量重復單元構成的,較小的模型可以體現不同單體的結構及分布特征,因此本研究所采用的模型可以反映宏觀聚合物驅過程中的物理本質。

1.2、分子力場與模擬軟件


聚合物分子的電荷采用約束靜電勢(RESP)電荷用于評價聚合物分子所受的靜電相互作用。聚合物單體結構優化采用Gaussian09程序,基組選用B3LYP/6-31G**,RESP電荷由Multiwfn軟件擬合得到。選用CHARMM36力場描述體系中非鍵相互作用以及成鍵相互作用。所有MD模擬通過GROMACS 2019.6程序包實現,構型的可視化通過VMD軟件實現。


1.3、模擬參數設置


模擬體系尺寸為80×80×250,在xyz三個方向均采用周期性邊界條件。每個模型首先采用最速下降法優化初始構型,對體系能量最小化,然后進行100 ns的MD模擬。在所有的模擬中,壓力設定為10 MPa,用于模擬地層壓力,溫度設定為343 K。模擬中采用NPT系綜,通過Parrinello-Rahman方法進行壓力耦合,Nosé-Hoover方法進行溫度耦合,使用粒子網格Ewald(PME)方法處理靜電相互作用,范德華相互作用和靜電相互作用的截斷半徑設置為12,模擬步長設定為1 fs。



研究發現:水解聚丙烯酰胺HPAM降低油水界面張力能力極其有限(一)

研究發現:水解聚丙烯酰胺HPAM降低油水界面張力能力極其有限(二)

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